多孔矽（porous Si）是一種新型的一維納米光子晶體材料，具有納米矽原子簇為骨架的“量子海綿”狀微結構，可以通過電化學陽極腐蝕或化學腐蝕單晶矽而形成。
基本介紹
- 中文名：多孔矽
- 外文名：porous Si
- 性質：納米光子晶體材料
- 發現時間：1956年
- 地點：美國貝爾實驗室
研究歷史,材料特性,材料套用,
研究歷史
早在1956年時，美國貝爾實驗室Uhlir首次發現並報導了通過電化學腐蝕法可以形成多孔矽薄膜。Uhlir發現在陽極電流密度較小的情況下，在濃的氫氟酸電解液中對單晶矽進行電化學腐蝕可以得到一層與明亮拋光面不同的多孔結構的薄膜，即多孔矽。
隨後1958年，D.Turner對陽極氧化法成膜的機理進行了研究，並詳細論述了多孔矽薄膜的刻蝕條件及其相關性質。在電化學陽極氧化過程中存在兩種情況，當電流密度大於某個臨界點時（此臨界點與矽片的類型，電阻率，腐蝕液的濃度和成分等因素相關），發生電化學拋光現象，多孔矽薄膜會從矽基底上被剝落下來。當電流密度低於此臨界點時，就會形成具有無數納米量級的矽柱的多孔矽薄膜。
1990年英國科學家Canham用紫外光和氬離子雷射室溫下照射多孔矽表面時，發現其具有強烈的可見光致發光（Photoluminescence，簡稱PL）現象。納米多孔矽中矽的尺寸小於激子的波爾半徑，具有明顯的量子限制效應，使其能帶發生分裂導致其頻寬增大，帶隙能量是矽柱尺寸的函式。但是由於多孔矽是間接帶隙半導體，發射光譜較寬，波長範圍從紫外區到近紅外區，光致發光的量子效率在1%~10%之間。多孔矽光致發光的峰位置和強度與孔隙率有關。孔隙率即是多孔矽層中孔隙體積占被腐蝕矽層總體積的百分數。當孔隙率大於80%時光致發光的能力很強。但是孔隙率大的多孔層其發光衰減較快，不夠穩定。通過光致發光譜的研究可以推知其電子帶隙結構和電子-聲子耦合等。多孔矽還具有良好的反射性能，其反射光譜在一定的波長範圍內的反射率可高至99%。
2016年6月，芬蘭國家技術研究中心（VTT）研究團隊為了把多孔矽變成強大的電容器，團隊創新性地在其表面塗了一層幾納米厚的氮化鈦塗層，使其性質得以改變。在功率密度和能量密度方面，多孔矽新電極裝置比得上最先進的超級電容器。由氧化石墨烯/還原氧化石墨烯製造的晶片微電容器功率密度為200瓦/立方厘米，能量密度為2毫瓦時/立方厘米，而多孔矽新電極裝置功率密度達到214瓦/立方厘米，能量密度為1.3毫瓦時/立方厘米。
材料特性
多孔矽具有良好電致發光特性，在光或電的激發下可產生電子和空穴，這些載流子可以複合發光，在電場的作用下進行定向移動，產生電信號，也可以儲能。多孔矽在光學和電學方面的特性為全矽基光電子集成和開發開創了新道路，並迅速引起了國內外對多孔矽的研究熱潮。由於多孔矽具有比表面大，易氧化的特點，因而被用作積體電路中的結構隔離層（silicon-on-insulator）。
材料套用
多孔矽的套用研究領域已經拓展到生物與化學感測器，光催化，能源、超級電容器，生物成像，藥物遞送等領域。每兩年在西班牙召開的Porous Silicon Science and Technology (PSST) 會議涵蓋了多孔矽及其他多孔半導體材料的大多數研究領域。
